دانلود مقاله بررسی تأثیر افزودن مس بر ریز ساختار و خواص مکانیکی چدن داکتیل

word قابل ویرایش
103 صفحه
17700 تومان
177,000 ریال – خرید و دانلود

چکیده:
با توجه به کار برد وسیع چدنهای نشکن در صنایع که می تواند جایگزین مناسبی برای برخی از فولادها باشد لذا اهمیت این موضوع سبب گردیده که در این زمینه تحقیقات فراوانی صورت گیرد.
در این پروژه اثر مس بر ریز ساختار و خواص مکانیکی چدنهای نشکن مورد بررسی قرار گرفته است. ریز ساختار نمونه های مورد آزماش در دو حالت قبل از اچ و پس از اچ بررسی و اثر این عنصر بر ساختار و خواص مکانیکی پرداخته شده است.

مقدمه:
هدف از انجام آزمایش:
در این آزمایش سعی شده که به این سؤال پاسخ داده شود که به علت افزایش سختی در اثر افزودن مس در چدنهای نشکن چیست. لذا لازم می باشد که مختصری در مورد چدنهای نشکن نکاتی یادآوری شود.

۱-۱ چدن با گرافیت کروی:
چدنهای نشکن یا چدنهای گرافیت کروی، خانواده ای از چدنها هستند و همانطور که از اسمشان پیداست شکل گرافیت در آنها کروی است. همین کروی بودن گرافیت ها، باعث افزایش استحکام و چقرمگی در مقایسه با چدنهای با گرافیت ورقه ای می گردد. اصولاً چدن نشکن با افزودن منیزیم Mg در مذاب، تولید می شود. برای کروی شدن گرافیت های قطعاتی که در قالبهای ماسه ای تولید می شوند مقدار ۰٫۰۷ – ۰٫۰۴% منیزیم باقیمانده در قطعات ریخته شده کافی می باشد.

برای قطعاتی که در قالبهای فلزی تولید می شوند مقدار % ۰٫۰۲ منیزیم باقیمانده کافی می باشد. همانطور که گفته شد برای کروی نمودن گرافیتها، به منیزیم احتیاج داریم که اگر میزان منیزیم از حد مورد نظر کمی کمتر باشد، گرافیتهای فشرده با استحکام و چقرمگی پائین تری بدست می آید. اصولاً چدن نشکن در مقایسه با چدن گرافیت ورقه ای، تمایل به تبرید بیشتری دارد و برای بدست آوردن ساختار عاری از کار بید مخصوصاً در مقاطع نازک، لازم است جوانه زایی با آلیاژ سیلیسیم si انجام شود.

اندازه گرافیت کروی می تواند روی خواص مکانیکی تأثیر بگذارد. اندازه گرافیت ها به دو پارامتر بستگی دارد:
۱- آهنگ سرد شدن یا اندازه سطح مقطع. چون مقاطع نازک سریع سرد می شوند، تعداد بیشتری گرافیت کروی خواهند داشت.
۲- جوانه زنی با آلیاژ سیلیسیم، افزایش تعداد گرافیت کروی و کاهش تمایل به تبریدی بودن مخصوصاً در مقاطع نازک را باعث می شود. افزایش مقدار جوانه زا باعث افزایش تعداد گرافیتهای کروی می شود.

در حین ریخته گری این نوع چدن می توان به ساختار زمینه فریت، پرلیت، مخلوط فریت و پرلیت، آستنیت، بینایت و مار تنزیت دست یافت. چدنهای نشکن پرلینی استحکام بالایی دارند ولی چقرمگی آنها کمتر است. چدنهای نشکن فریتی – استحکام کمتری دارند ولی ازدیاد طول مبنی آنها بیشتر و مقاومت به ضربه شان خوب است.
۲-۱ کروی سازی گرافیت
در حال حاضر، در تمام کارخانه ها، برای کروی نمودن گرافیتهای چدن نشکن از منیزیم، استفاده می گردد. در ضمن عناصر جزئی مانند سریم و عناصر خاکی نادر موجود در آلیاژ فروسیلیکو منیزیم Fe-Si-Mg برای خنثی کردن عناصر جزیی مضرو راندمال بهتر در عمل جوانه زایی، اهمیت زیادی دارند.

روش افزودن منیزیم به روشهای مختلف اعم از ساده و پیچیده می باشد. در انتخاب یکی از روشها برای یک کارگاه معین باید فاکتور های زیادی مورد نظر قرار گیرد و در بین آنها مهمترین فاکتورها با تعیین اولویتها مشخص گردد. فاکتورهای اصلی به قرار زیر می باشند:
۱٫ روش انتخاب شده نباید با ایجاد نور و دود همراه باشد.
۲٫ قیمت تمام شده چدن تولیدی باید حداقل باشد.
۳٫ روش نباید احتیاج به سرمایه گذاری زیاد در تجهیزات داشته باشد.
۴٫ کیفیت چدن تولیدی باید مطلوب باشد.

۵٫ روش باید توانایی ریختن قطعات با وزن های مختلف را دارا باشد.
برای تولید چدن نشکن مرغوب باید کنترل دقیق به عمل آید تا مقدار منیزیم باقیمانده کم یا زیاد نباشد. از آنجائیکه دما و ترکیب شیمیای برای بازیابی منیزیم موثر میباشند، فرآیند و مواد مناسب کروی سازی مطلوب، بزرگترین عوامل بالقوه برای تغییرات منیزیم باقیمانده می باشندو
۳-۱ مشکلات افزودن منیزیم
افزودن منیزیم و آلیاژ آن در مذاب چدن

مشکلاتی در پی دارد که تا کنون در تمام روشهای کروی نمودن کاملاً حل نشده است.
میزان پائین حلالیت: منیزیم بمقدار خیلی کم در مذاب چدن حل می شود. بنابراین آلیاژ منیزیم با آهن بصورت فرومنیزیم Fe- Mg به هیچ وجه مورد استفاده قرار نمی گیرد.
نقطه جوش پائین: وارد کردن منیزیم خالص به چدن مذاب مشکل می باشد زیرا منیزیم در درجه حرارت ۱۱۰۲ می جوشد که خیلی پائین تر از حرارت مذاب می باشد. بعلاوه فشار بخار زیاد منیزیم در دمای کروی نمودن، حلالیت را بسیار دشوار می سازد.
وزن مخصوص: وزن مخصوص منیزیم که خیلی پائین تر از وزن مخصوص چدن است. چون منیزیم سبکتر است روی سطح مذاب می آید که باعث جوشیدن و اکسید شدن منیزیم و نتیجتاً کاهش راندمان بازیابی می گردد.
۴-۱ اهمیت جوانه زایی:
جوانه زایی چدنها با آلیاژ سیلیسیم به دلایل زیر انجام می گیرد.
۱- افزایش تعداد هسته های یوتکتیکی
۲- کاهش تبریدی (کاهش مادون انجماد)
استفاده از مواد جوانه زا برای تولید چدن نشکن موجب تشکیل مراکز هسته سازی برای رسوب گرافیت می گردد و با بودن این مراکز در طول انجماد رسوب گرافیت آسانتر انجام می گیرد. وجود هسته های گرافیت به تعداد کافی یکی ار عوامل مهم برای جلوگیری از پدیده مادون انجماد

(Undercooking) می باشد. بدون وجود هسته ها، کاربیدها می توانند در قطعات تشکیل شوند. وجود کاربید ها موجب نامرغوبی چدن از دیدگاه قابلیت نشکن بودن و ماشینکاری می گردد. علاوه بر آن، گرافیتی که از تجزیه بعدی کاربید ها به وجود می آید، ممکن است دارای شکل نامنظم باشد. چنانچه تلقیح مواد بشکل مناسب انجام پذیرد. معمولاً هسته های کافی برای انجام عملیات تشکیل می گردد. بطور کلی هسته سازی بیشتر کاربیدها در طول انجماد کمتر بوده است.

در حقیقت چنانچه بخواهیم قطعات چدن نشکن می باشد و با انجام این کار ساختار در چدن نشکن ریخته شده، قطعاتی با خواص مکانیکی مناسب خواهیم داشت. این خواص عبارت است از: استحکام کشش و تسلیم، قابلیت انعطاف پذیری و مقاومت به ضربه می باشند.

۵-۱ انجماد و مکانیزم کروی شدن گرافیت در چدن نشکن:
در انجماد چدن با گرافیت ورقه ای، یوتکتیک گرافیت و آستنیت تشکیل می شود. در انجماد، این یوتکتیک و گرافیت و آستنیت با مذاب در تماس است. رشد دندریت های آستنیت و هسته های گرافیت ورقه ای تا زمانی که ذوب کاملاً منجمد شود، ادامه خواهد داشت. انجماد یوتکتیک گرافیت در چدن نشکن نسبت به چدن با گرافیت ورقه ای در دمای بالاتری شروع می شود. در حین انجماد چدن نشکن، پوسته ای از آستنیت پیرامون گرافیت کروی تشکیل می شود. و بهمین علت، فقط فاز آستنیت با مذاب در تماس خواهد بود و چنین انجماد انجمادی را نیویوتکتیک می نامند هر واحد

گرافیت کروی و پوسته آستنیت دور آن را می توان یک هسته در نظر گرفت که کربن باید به داخل این هسته نفوذ کند تا رشد گرافیت کروی و پوسته آستنیت دور آن را به انجماد چدن خاکستری، با سرعت کمتری انجام می شود و با شروع انجماد نیویوتکتیک هسته سازی گرافیت کروی به اتمام می رسد بنابراین تعداد گرافیتهای کروی در مرحله اول انجماد تعیین می شود. با ادامه انجماد تا دمای یوتکتیک گرافیتهای داخل پوسته های آستینیتی به رشد خود ادامه خواهند داد.

تعداد و میزان کروی شدن گرافیتها بر روی خواص چدن نشکن تأثیر بسزایی دارد. وقتی تعداد هسته یا پوسته های آستنیت کم باشد، مناطق برای نفوذ کردن به داخل پوسته آستنیت کمتر شده، و نتیجتاً تعداد گرافیت های کروی کاهش می یابد. بسته به فرایند تولید احتمال ایجاد گرافیت ورقه ای یا کروی ناقص و یا سمنتیت وجود دارد.
شکل شماره ۱-۱ انجماد یوتکتیکی را با منحنی خنک شدن بررسی می کند.

شکل ۱-۱ منحنی انجماد ایده آل واقعی چدن نشکن

فصل دوم:

مروری بر منابع

مروری بر منابع
۱-۲) تغییر حالت یوتکتوئید در چدنهای نشکن
خواص مکانیکی چدنهای نشکن بستگی به مشخصات ریز ساختار آنها دارد. قسمتی از این ریز ساختار (شکل، اندازه و نحوه توزیع گرافیت) پس از انجماد و یا به عبارتی پس از تغییر حالت یوتکتیک و قسمتی دیگر یعنی ساختار زمینه که نقش عمده را در تعیین خواص مکانیکی چدن نشکن دارا می باشد، پس از تغییر حالت یوتکتوئید شکل می گیرد ]۷-۱[ و از نیرو می توان تأثیر عناصر آلیاژی بر روی خواص مکانیکی چدنهای نشکن را به اثر آنها بر تغییر حالت یوتکتوئید و مسائل سینتیکی آن دارای اهمیت زیادی می باشد.

بررسی تغییر حالت یوتکتوئید در چدنها نسبت به فولادها پیچیده تر است. زیرا بر خلاف فولادها که واکنش فراپایدار « » در آنها واکنش غالب است، در چدنها این تغییر حالت بوسیله هر دو واکنش پایدار « »که منجر به تشکیل فریت و گرافیت می شود و واکنش فرا پایدار « » که منجر به تشکیل پرلیت می شود صورت می پذیرد ]۵-۱[. بنابراین چون تغییر حالت صورت می پذیرد، باید با در نظر گرفتن سینتیک رشدی که هر دو واکنش را در برداشته باشد مورد بررسی قرار گیرد ]۲[

.
به دلیل طبیعت چند جزیی چدنها، واکنشهای پایدار و فراپایدار در یک درجه حرارت ثابت انجام نمی شوند. بلکه در یک محدوده دمایی صورت می پذیرند. محدوده دمایی انجام این واکنشها بستگی به ترکیب شیمیائی آستنیت داشته و بوسیله عناصر آلیاژی تحت تأثیر قرار می گیرد. ضمناً محدوده دمایی انجام هر یک از این دو واکنش می تواند بر روی هم قرار گیرد. ]۷ و ۶ و۴[.
همانطور که قبلاً نیز اشاره شد این واکنشها حالت رقابتی دارند، بطوریکه در خلال سرد کردن آهسته از میان محدوده دمایی تغییر حالت یوتکتوئید، فریت در دماهای بالاتر تشکیل شده و به رشد خود همراه با رسوب گرافیت ادامه می دهد. با کاهش بیشتر درجه حرارت و رسیدن به محدوده دمایی تشکیل پرلیت، باقیمانده آستنیت به پرلیت تبدیل می شود. عامل کنترل کننده سرعت در هر دو حالت نفوذ اتمهای کربن در آستنیت است ]۱۴-۴[.

 

شکل ۱-۲: مقطعی از نمودار تعادلیسه تایی Fe – C – Si با ۲ درصد سیلیسیم ]۷[.
شکل ۱-۲ مقطعی از نمودار تعادلی سه تایی آهن – کربن – سیلیسیم با مقدار ثابت ۲ درصد سیلیسیم را نشان می دهد. براساس این نمودار تغییر حالت یوتکوئید در یک نمونه چدن نشکن با ترکیب یوتکتیک را می توان به صورت زیر توضیح داد:

بلافاصله پس از کامل شده انجماد چدن نشکن و درست قبل از رسیدن درجه حرارت به دمای تغییر حالت یوتکتوئید، ساختار چدن شامل ترکیبی از گرافیتهای کروی در زمینه ای از آستنیت است. میزان کربن محلول در آستنیت در این حالت مطابق شکل ۱-۲ حدود ۵۷/۱ درصد می باد (نقطه E). با ادامه سرد کردن حد حلالیت کربن در آستنیت بطور قابل توجهی کاهش می یابد، در نتیجه کربن از زمینه آستنیت خارج شده و با مهاجرت اتمهای کربن از آستنیت به طرف گرافیتهای کروی، درصد

کربن آستنیت کاهش پیدا می کند. بطوریکه با رسیدن درجه حرارت به محدوده دمایی تغییر حالت یوتکتوئید، میزان کربن محلول در آستنیت به حدود ۶۷/۰ درصد می رسد (نقطه S). تحت این ظرایط تغییر حالت یوتکتوئید آستنیت به «فریت + گرافیت» در یک محدوده دمایی بین درجه حرارتهای صورت می گیرد ]شکل ۱-۲[.
۱-۱-۲) تشکیل حلقه های فریت در اثر تجزیه آستنیت
با کاهش درجه حرارت از درجه حرارت پایداری آستنیت به زیر درجه حرارتی که در آن تغییر حالت یوتکتوئید به وقوع می پیوندد، آستنیت از نظر ترمودینامیکی ناپایدار می شود. در این حالت واکنش پایدار« »نیاز به جوانه زنی فریت در فصل مشترک

«آستنیت – گرافیت» دارد. جوانه زنی و رشد فریت بایستی با پس زدن اتمهای کربن از حجم استحاله کرده آستنیت همراه باشد، زیرا حلالیت کربن در فریت بمراتب کمتر از آستنیت است. کربن پس زده شده از آستنیت به سمت گرافیتهای کروی نفوذ می کند. در حقیقت این گرافیتها که قبل از تغییر حالت یوتکتوئید شکل گرفته اند (گرافیتهای پرویوتکتوئید) بعنوان یک نوع بانک کربن عمل می کنند، بطوریکه اتمهای کربنی را که در خلال تشکیل فریت از ساختار زمینه پس زده می شوند، می پذیرند و اتمهای کربن لازم را در خلال تشکیل آستینت در حین عملیات آستنیته کردن فراهم می کنند ]۷[.

تشکیل فریت بستگی به سرعت نفوذ کربن در ساختار زمینه دارد. در مرحله جوانه زنی نفوذ در فاز آستنیت صورت می گیرد در حالیکه به محض تشکیل حلقه های فریت پیرامون گرافیتهای کروی، نفوذ کربن بایستی از میان حلقه های فریت صورت گیرد. در یک درجه حرارت ثابت سرعت نفوذ کربن در فریت حدود ۱۰ برابر سرعت نفوذ کربن در آستنیت است ]۷ و ۴[ در نتیجه نفوذ کربن در آستنیت عامل کنترل کننده سرعت می باشد. سرعت نفوذ کربن در آستنیت با کاهش درجه حرارت بصورت نمائی کاهش می یابد و بطور کلی با حضور عناصر آلیاژی در چدن نیز کاهش پیدا می کند ]۹و۴و۲و۱[.

طرح ارائه شده در شکل ۲-۲ به درک بهتر مطالبی که در بالا به آن اشاره شد کمک می کند ]۷[.

شکل ۲-۲: الف – طرحی از یک گرافیت کروی در زمینه ای از آستنیت، درست پیش از تجزیه آستنیت
ب- طرحی از تشکیل حلقه فریت پیرامون گرافیت کروی در خلاق تجزیه آستنیت ]۷[.
در شکل (الف) ۲-۲ فرض بر این است که شعاع گرافیت کروی قبل از تغییر حالت یوتکتوئید آستنیت برابر g0 است و ترکیب شیمیائی آستنیت یکنواخت بوده و دارای ۶۵/۰ درصد کربن است. در شکل (ب) ۲-۲ نشان داده شده که با شروع تغییر حالت یوتکتوئید حلقه ای از فریت به شعاع f1 بدور

گرافیت کروی تشکیل شده و در اثر رسوب کربن بر گرافیت کروی، شعاع گرافیت کروی از g0 به g1 افزایش پیدا می کند. در این حالت مقدار کربن فریت از حدود ۰۲/۰ درصد در فصل مشترک «آستنیت – فریت» تا حدود ۰۱/۰ درصد در فصل مشترک «گرافیت – فریت» تغییر می کند. این اختلاف غلظت، شیب غلظتی لازم که در حقیقت همان نیروی محرکه لازم برای نفوذ کربن از میان حلقه فریت و از فصل مشترک «آستنیت – فریت» به سمت گرافیت کروی می باشد را فراهم می کند. ادامه رسوب کربن و رشد گرافیتهای کروی را احاطه کرده اند، دارد. این عمل توسط خود نفوذی اتمهای آهن در داخل پوسته فریت انجام می گیرد و مکانیزم آن بر اساس حرکت جاهای خالی

استوار است ]۱۵-۸ و ۵-۱[. مکانیزم خود نفودهای اتمهای آهن در داخل پوسته فریت می تواند بعنوان یک عامل کنترل کننده سرعت نیز به حساب آید ولی این موضوع هنر بطور تجربی تحقیق نشده است ]۲[.
پس از تشکیل و رشد حلقه های فریت در اطراف گرافیتهای کروی، با کاهش درجه حرارت، باقیمانده آستنیت با توجه به عواملی همچون سرعت سرد کردن، ترکیب شیمیائی و سایر عوامل مؤثر به پرلیت تغییر حالت پیدا می کند. رشد بیشتر حلقه های فریت می تواند با تجزیه سمنتیت « » در فصل مشترک «فریت – پرلیت» و نفوذ کربن به سطح گرافیتهای کروی صورت می گیرد ]۱۲و۷[.
بطور کلی عوامل مؤثر بر رشد حلقه های فریت را می توان بصورت زیر خلاصه نمود ]۷[.
۱- عواملی که بر نفوذ گربن در آستنیت و یا فریت تأثیر می گذارند.

۲- ساختار کریستالوگرافیکی مناسب برای گرافیت که اتمهای کربن را قادر می سازد با رسوب بر گرافیتهای موجود از نیاز به جوانه زنی مستقل گرافیت در آستنیت که احتیاج به انرژی اکتواسیون بالایی دارد اجتناب شود. رسوب کربن بر گرافیت ترجیهاً با پیوستن اتمهای کربن موجود در آستنیت بر صفحات قاعده گرافیت صورت می گیرد. در گرافیت های کروی این صفحات به آسانی در دسترس قرار دارند، چرا که صفحات قاعده در گرافیت کروی عمود بر شعاع آن و در تمامی سطح گرافیت توزیع شده اند. ولی در گرافیت ورقه ای این صفحات به آسانی قابل حصول نیستند. به همین علت تمایل به تشکیل فریت در چدنهای نشکن در شرایط یکسان از نظر ترکیب شیمیایی و سرعت سرد کردن بمراتب بیش ار چدنهای خاکستری است.

۳- درجه حرارت جوانه زنی برای تشکیل پرلیت.
۴- درجه حرارت جوانه زنی برای تشکیل فریت.
۵- سرعت سرد کردن که تعیین کننده زمان لازم برای تغییر حالت آستنیت به فریت و گرافیت قبل از شرع تغییر حالت آستنیت به پرلیت است.
۲-۱-۲) تشکیل پرلیت در اثر تجریه آستنیت

تشکیل پرلیت از آستنیت نیز بوسیله مکانیزم جوانه زنی و رشد صورت می گیرد. فاصله نفوذ اتمهای کربن در پرلیت بمراتب نسبت به همین فاصله در فریت کوتاهتر است، کاهش فاصله نفوذ مربوط به ساختار لایه ای پرلیت و کاهش فضای لایه ای در اثر افزایش سرعت انجماد است ]۱۳و۷و۴[.
تشکیل پرلیت از آستنیت در دماهای پایین تری نسبت به تشکیل فریت صورت می گیرد. درجه حرارت تشکیل پرلیت بوسیله مقدار و نوع آلیاژی موجود تحت تأثیر قرار می گیرد. بنابراین در یک سرعت سرد کردن ثابت فضاهای بین لایه های پرلیت بستگی به تأثیر عناصر آلیاژی بر درجه حرارت تغییر حالت آستنیت به پرلیت دارد ]۱۰[.

تشکیل پرلیت غالباً در مرز دانه های آستنیت و در نواحی بین سلولی ریز ساختار که در اثر جدایش در خلال انجماد دارای درصد بیشتری از عناصر آلیاژی هستند آغاز می شود، ولی جوانه زنی و رشد پرلیت می تواند، بر آخالهای موجود در آستنیت و در فصل مشترک «آستنیت – گرافیت» نیز صورت

گیرد ]۱۴و۷و۴[. در اثر افزایش سرعت سرد کردن یا با حضور برخی از عناصر آلیاژی سرعت نفوذ اتمهای کربن در آستنیت کاهش می یابد، در نتیجه آستنیت در برخی از نواحی خاص مثلاً در مرز دانه ها بصورت فوق اشباع از کربن در آمده و شرایط برای جوانه زنی لایه های سمنتیت در این محلها فراهم می شود. در پی آن با کاهش درصد کربن در مجاورت لایه های سمنتیت شرایط برای جوانه زنی فریت فراهم شده و این رشد متناوب لایه های فریت و سمنتیت ادامه می یابد تا ساختار پرلیتی شکل گیرد ]۱۳و۷و۴[.

۲-۲) اثر مس، بر سینتیک تغییر حالت یوتکتوئید در چدنهای نشکن
همان گونه که قبلاً نیز اشاره شد چون ساختار زمینه چدنهای نشکن در خلال تغییر حالت یوتکتوئید شکل می گیرد، اثر عناصر آلیاژی بر ریز ساختار و در نتیجه خواص مکانیکی چدنهای نشکن را می توان به اثرات این عناصر بر تغییر حالت یوتکتوئید مرتبط ساخت. در این باره پژوهشگران مختلف سعی بر این داشته اند تا با انجام آزمایشات گوناگون به تشریح مکانیزمهای اثر گذاری عناصر آلیاژی بر

سینتیک تغییر حالت یوتکتوئید بپردازند. تا بر پایه اطلاعات بدست آمده از این ‌آزمایشات، استفاده بهینه و مناسب از عناصر آلیاژی به منظور بهبود خواص مکانیکی چدن نشکن امکان پذیر گردد. در این قسمت مروری بر مجموعه ای از نظرات موجود در رابطه با نحوه اثرگذاری عنصر مس بر سینتیک تغییر حالت یوتکتوئید صورت خواهد گرفت.

افزایش عنصر مس منجر به افزایش درصد پرلیت در ساختار زمینه چدنها می گردد. به همین دلیل این عناصر بعنوان پرلیت زا شناخته می شوند. عناصر پرلیت زا اصطلاحاً به عناصری گفته می شود که باعث غلبه تغییر حالت فراپایدار« » بر تغییر حالت پایدار « » می گردند ]۳-۱[. هر یک از عناصر

پرلیت زا می توانند به نحوی باعث غلبه تغییر حالت فراپایدار و تشکیل پرلیت گردند. بر این اساس اینگونه عناصر را می توان به چند گروه تقسیم بندی نمود. عناصری نظیر کرم، منگنز و وانادیم عناصری کاربید زا هستند. از اینرو افزایش مقدار کمی از این عناصر باعث تشکیل کاربیدهایی به شکل (Fe,X)3C می شود که از نظر ترمودینامیکی نسبت به کاربید آهن (Fe3C) پایدار تر می باشند. در حقیقت این عناصر با تشکیل کاربید های مرکب باعث پایداری سمنتیت شده و به این وسیله باعث پایداری پرلیت می شوند ]۷و۴و۱[.

گروه دیگری از عناصر پرلیت زا شامل عناصری نظیر آرسنیک، قلع و آنتیموان هستند. در رابطه با این عناصر نظرات مختلفی وجود دارد و اثر آنها بر تحول یوتکتوئید هنوز کاملاً شناخته شده نیست. در مقابل عده ای معتقدند این عناصر در تحول یوتکتوئید شرکت نمی کنند، Grigorovech (16) معتقد است این عناصر که نسبت به آهن الکتروپزتیوتر هستند،

کاربیدهای به شکل (X,C) بوجود آورده و باعث پایداری سمنتیت می شوند گزارشات مربوط به پایداری بیشتر پرلیت در هنگام عملیات آنیل در چدنهایی که دارای عناصر قلع و آنتیموان هستند نسبت به چدنهایی که حاوی این عناصر نیستند این فرضیه را تأئید می کند ]۱۱و۲[.

مس با مکانیزمی متفاوت نسبت به قلع و منگنز باعث افزایش درصد پرلیت شده و از تشکیل فریت جلوگیری می نماید و از این جهت می توان آن را در گروه مستقلی جای داد. اعتقاد بر این است که مس مستقیماً در تحول یوتکتوئید شرکت نمی کند ]۱۷و۳-۱[. در اثر جدایش و تجمع مس در فصل مشترک «آستنیت – گرافیت» سدهای نفوذی مقاومی در مقابل نفوذ اتمهای کربن به طرف گرافیتهای کروی ایجاد شده و در نتیجه ضمن اینکه از انجام واکنش « » جلوگیری بعمل می آید، در اثر افزایش درصد در فصل مشترک «آستنیت – گرافیت» شرایط برای جوانه زنی و رشد پرلیت فراهم می شود ]۲۵-۱۷ و۱۱و۴-۱[.

تقسیم بندی عناصر آلیاژی به عناصر کاربیدزا و گرافیت زا در رابطه با توجیه مکانیزمهای مؤثر در تغییر حالت یوتکتوئید می تواند مفید واقع شود. در این رابطه Grigorovech کوشید تا خاصیت کاربید زایی، گرافیت زایی یا اثرات دوگانه عناصر آلیاژی را به موقعیت آنها در جدولی تناوبی مربوط سازد. اندازه شعاع اتمی عناصری که در جدول تناوبی در همسایگی آهن و در سمت چپ آن قرار دارند، نزدیک به شعاع اتمی آهن است. در نتیجه اتمهای این عناصر می توانند وارد شبکه سمنتیت شده و جایگزین اتمهای آهن گردند و کاربید های نوع C را بوجود آورند. در اثر ورود اتمهای این عناصر به

شبکه سمنتیت پیوند بین اتمهای «آهن – کربن» تقویت شده و استحکام بیشتری پیدا می کند.
تحقیق جامعی در رابطه با سینتیک تغییر حالت یوتکتوئید در چدنهای نشکن توسط Brown و Hawkws ]11[، صورت گرفت. بخشی از این تحقیق در رابطه با پدیده گرافیت زایی بود. در این تحقیق، مشخصات تغییر حالت ایزوترمال چدن نشکنی با ترکیب ۶۱/۳ ردصد کربن، ۲/۲ درصد سیلیسیم، ۴۵/۰ درصد منگنز، ۰۷/۱ درصد نیکل و ۱۲/۰ درصد فسفر مورد مطالعه قرار گرفت. چند نمونه از این چدن نشکن پس از انجام تغییر حالت ایزوترمال در زمانهای مختلف کوئنچ شد. و ریز ساختار نمونه های کوئنچ شده در زمانهای مختلف پس از انجام تغییر حالت ایزوترمال مورد بررسی قرار گرفت. جز در درجه حرارتهای بالا که فریت در مرز دانه های آستنیت تشکیل شد، رشد فریت عموماً بصورت حلقه هایی در اطراف گرافیتهای کروی صورت پذیرفت. در درجه حرارتهای بین ۷۲۲ تا ۷۵۰ درجه سانتیگراد محصولات تغییر حالت کاملاً فریت و گرافیت بودند. در درجه حرارتهای زیر ۷۲۲ درجه سانتیگراد رشد پرلیت مشاهده شد.

Brown و Hawkes مطالعات خود را بر روی سینتیک رشد حلقه های فریت با فرض یک شیب خطی برای نفوذ کربن و روشهای آنالیز ریاضی ادامه دادند. نتیجه این مطالعات این بود که رشد حلقه های فریت پدیده ای می باشد که توسط نفوذ اتمهای کربن کنترل می شود. ضمناً این افراد عناصر آلیاژی مختلف را با توجه به اثر آنها بر ریز ساختار چدن نشکن به عناصر کاربیدزا و گرافیت زا تقسیم بندی نمودند. طبق نظر آنها عناصری نظیر منگنز، آنتیموان و قلع با توجه به اثریکه بر پایداری سمنتیت دارند باعث پایداری پرلیت می شوند.

Johnson و Kovacs ]1[، به منظور بررسی اثرات منگنز، آنتیموان و قلع بر سینتیک تغییر حالت یوتکتوئید در چدنهای نشکن دست به تحقیقاتی زدند. به منظور مقایسه ابتدا فرآیند تغییر حالت در یک نمونه چدن نشکن بدون عناصر آلیاژی مزبور در خلال تغییر حالت ایزوترمال آستنیت توسط متالوگرافی نوری مورد مطالعه قرار گرفت. سپس اثر عناصر آلیاژی بر تغییر حالت یوتکتوئید بوسیله

تکرار استحاله ایزوترمال در نمونه هایی که هر یک از آنها شامل یکی از این سه عنصر بودند مطالعه گردید. بعلاوه نقش مرزهای بین فازی «گرافیت – زمینه فلزی» در استحاله با بررسی ترکیب شیمیائی فصل مشترک «گرافیت کروی – زمینه فلزی» توسط روش «Scanning Auger microprob» بررسی شد. بر اساس نتایج حاصل از این تحقیقات منگنز بنا به علل زیر می تواند بر روی سینتیک تغییر حالت یوتکتوئید تأثیر بگذارد ]۱[.

۱- منگنز باعث کاهش واکنش پایدار « »، واکنش فراپایدار « » و تجزیه سمنتیت « » می شود که این خود ناشی از ایجاد وقفه در مراحل ابتدایی (مرحله جوانه زنی) تغییر حالت های فوق می باشد. بنابراین منگنز باعث کاهش سرعت جوانه زنی فریت و سمنتیت می گردد.
۲- قسمتی از اثرات منگنز مربوط به این است که این عنصر به سادگی جایگزین اتمهای آهن در سمنیت شده و این جانشینی باعث افزایش پایداری سمنتیت می شود که این پایداری خود بدلیل افزایش استحکام پیوندهای Fe_C می باشد.

۳- منگنز بطور اساسی باعث کاهش نفوذپذیری کربن در فریت می گردد این امر سرعت انتقال کربن را از کاربید های تجزیه شده کاهش می دهد. بنابراین باعث سرعت رشد فریت می شود.
بر طبق همین تحقیقات ]۱[ افزایش آنتیموان (۰۸/۰ درصد)یا قلع (۱۲/۰ درصد) از واکنش « » و تجزیه سمنتیت جلوگیری می کند. آنالیزهای انجام شده توسط روش «Scanning Auger microprob» نشان داد که قلع و آنتیموان در خلال انجماد در مرزهای بین فازی «آستنیت – گرافیت» تجمع می کنند و لایه های غنی از این عناصر را در این نواحی بوجود می آورند. این لایه های غنی جذب شده در فصل مشترک. «آستنیت – گرافیت» بعنوان سدی در مقابل نفوذ اتمهای کربن که لازمه واکنش پایدار « » و تجزیه سمنتیت« » می باشد، عمل می کنند

.

شکل ۳-۲: طرحی از سدهای نفوذی در اطراف گرافیتهای کروی ]۱[
Johnson و Kovacs در ادامه تحقیقات خود براساس قوانین فیک به تشریح طبیعت سدهای نفوذی حاصل از لایه های غنی از قلع و آنتیموان در اطراف گرافیتهای کروی پرداختند.
در رابطه با نحوه اثر گذاری مس بر سینتیک تغییر حالت یوتکتوئید نیز تقریباً در تمامی مقالات به تئوری سدهای نفوذی اشاره شده است ]۲۵-۱۷ و ۳-۱[.

De Sy ]17[، معتقد است برخلاف آنچه در بسیاری از مقالات فنی انتشار یافته مبنی بر اینکه مس یک عنصر پایدار کننده پرلیت است، صحیح تر است که گفته شود مس یک عنصر «پرلیت زا» و یا بازهم صحیح تر است که گفته شود مس «ضد فریت زا» می باشد. همانگونه که در قسمتهای قبل نیز اشاره شد، در خلال سرد کردن چدن از مرحله انجماد تا درجه حرارت محیط، فریت آزاد براساس دو مکانیزم زیر امکان شکل گیری دارد:
۱- فریت زایی مستقیم بر اساس واکنش:«گرافیت + فریت آستنیت»

۲- فریت زایی غیر مستقیم بر اساس واکنش «گرافیت + فریت پرلیت آستنیت»
و یا فریت زایی و گرافیت زایی در نتیجه تجزیه پرلیت.
شکل ۴-۲ مقطعی از نمودار تعادلی سیستم آهن – کربن سیلیسیم با ۲ درصد سیلیسیم و ۳ درصد کربن را نشان می دهد ]۱۷[.

شکل ۴-۲: مقطعی از نمودار تعادلی سه تایی Fe-C-Si ]17[.
با توجه به شکل فوق مشاهده می شود که انتقال مستقیم آستنیت به فریت و گرافیت حد فاصل تا صورت نی گیرد. براساس واکنش پایدار چنانچه یک نمونه چدنی را در این محدوده دمایی در زمانهای طولانی نگهداری نمائیم. تحول پایدار« » بطور کامل انجام می گیرد. مکانیزم عمل فوق در شکل ۵-۲ نشان داده شده است.

شکل ۵-۲: طرحی از مکانیزم تجزیه آستنیت و تشکیل حلقه های فریت ]۱۷[.
با توجه به شکل ۵-۲ می توان دریافت که واکنش ابتدا در مرز مشترک آستنیت – گرافیت آغاز می شود و بتدریج هاله ای از فریت اطراف گرافیت را می گیرد. از این مرحله به بعد نه تنها فریت در اطراف فصل مشترک «آستنیت – گرافیت» رسوب می کند. بلکه کربن نیز از داخل لایه های فریت به طرف گرافیت نفوذ می کند.

حال با توجه به این مطالب باید دید که مس چگونه می تواند بر سینتیک این واکن تأثیر نهاده و باعث کاهش سرعت تغییر حالت پایدار « » شود. در این باره گفته شده که مس یک پایدار کننده آستنیت است و باعث کاهش درجه حرارت تغییر حالت آستنیت به پرلیت می شود. در نتیجه در طول واکنش فریت زایی « » و در محدوده دمایی تا (شکل ۴-۲) مس در آستنیت تجمع پیدا می کند و باعث افزایش پایداری آستنیت شده و به همین علت باعث کاهش سرعت واکنش می شود.

در حقیقت با پایداری آستنیت درجه حرارت تجزیه آن به دماهای پایین تری انتقال می یابد (محدوده دمایی تا در شکل ۴-۲). در نتیجه در این محدوده دمایی آستنیت به ناچار مطابق واکنش فراپایدار به پرلیت تبدیل می شود. نکته اساسی که در اینجا وجود دارد این است که اثر بر پایدارسازی

آستنیت نمی تواند از اهمیت چندانی در رابطه با خاصیت ضد فریت زایی آن برخوردار باشد، چرا که تأثیر نیکل در پایدار سازی آستنیت و کاهش درجه حرارت تجزیه آن بیش از مس می باشد در حالیکه این عنصر در عمل ممانعت زیادی در جلوگیری از تشکیل فریت نمی نماید. بنابراین در جهت توضیح خاصیت ضد فریت زایی مس به تئوری جامع تری نیاز است در این رابطه اکثر پژوهشگران به تئوری «سدهای نفوذی»اشاره کرده اند.

DeSy معتقد است مس بر خلاف نیکل به آهستگی در آستنیت نفوذ می کند و در فصل مشترک «آستنیت – فریت» بصورت انباشته در می آید و به این ترتیب یک سد نفوذی را ایجاد می نماید. این سد های نفوذی از رسوب اتمهای کربن بر گرافیتهای کروی جلوگیری می کنند. بنابراین مس بجای اینکه مستقیماً تشکیل پرلیت را جلو بیاندازند در جهت به تعویق انداختن تشکیل فریت و جلوگیری از تغییر حالت پایدار « » فعالیت می کند، در نتیجه شرایط برای تشکیل پرلیت مساعد تر می شود. تئوری سد های نفوذی توسط روشهای تفریق اشعه X و یا فلورانس اشعه X و سایر روشهای متالوگرافی پیشرفته نظیر «Auger microprob Scanning» مورد تائید قرار گرفته است ]۱[.
۲-۲) اثر مس، بر منحنی های سرد کردن

شکل ۶-۲ اثر مس،را بر منحنی های سرد کن چدن نشکن نشان می دهند. با توجه به این شکل مشاهده می شود که مس باعث کاهش درجه حرارت توقف تغییر حالت یوتکتوئید می شوند.
شکل ۷-۲ اثر مس و منگنز بر محدوده دمایی تغییر حالت یوتکتوئید، و بر دماهای بالایی و پایینی این محدوده را نشان می دهد. ]۳[ با توجه به این شکل مشاهده می شود که مس و منگنز باعث کاهش محدوده دمایی درجه حرارت تغییر حالت یوتکتوئید می شوند. همچنین با توجه به همین

شکل می توان دید که افزایش مس در مقادیر بیش از ۵/۱% تأثیری بر محدوده دمایی تغییر حالت یوتکتوئید ندارد. این موضوع احتمالاً به علت حد حلالیت مس در آهن و کاهش حلالیت برای هر ۱ درصد منگنز حدود ۳۰ درجه سانتیگراد کاهش می یابد. بنابراین اثر منگنز در کاهش درجه حرارت یوتکتوئید بیش از مس می باشد. ]۳[.

با افزایش درصد قلع برخلاف آنچه در مورد مس مشاهده شد (شکل ۹-۲)، حد پائینی محدوده دمایی تغییر حالت یوتکتوئید افزایش می یابد، به عبارت دیگر قلع باعث افزایش درجه حرارت تغییر حالت آستنیت به پرلیت می شود ]۳[.
شکل ۸-۲ نیز نتایج حاصل از تحقیقات Loper ,lou ,Pan ]3[ را در رابطه با اثر مس بر منحنی های سرد کردن نشان می دهد.

شکل ۶-۲: منحنی سرد کردن نمونه هایی از چدن نشکن با درصد های مختلفی از مس ]۲[.

شکل ۷-۲: تغییرات محدوده دمایی تغییر حالت یوتکتوئید برحسب درصد در مقادیر مختلفی از منگنز ]۳[.

شکل ۸-۲: اثر مس بر منحنی سرد کردن در محدوده تغییر حالت یوتکتوئید ]۳[
شکل ۹-۲ اثر مس یا قلع را بر زمانهای شروع و پایان تغییر حالت یوتکتوئید نشان می دهد ]۳[. همانگونه که مشاهده می شود با افزایش قلع زمان پایان تغییر حالت یوتکتوئید به سمت چپ یا به عبارتی به سمت زمانهای کوتاهتر انتقال می یابد. بنابراین می توان گفت قلع باعث تسریع در تجزیه

آستنیت در خلال تغییر حالت یوتکتوئید می شود. از طرف دیگر با توجه به همین شکل مشاهده می شود که افزایش مس درجه حرارتهای شروع و پایان تغییر حالت یوتکتوئید را به سمت راست یا به عبارتی به سمت زمانهای طولانی تر سوق می دهد.
بنابراین مس باعث تأخیر در تغییر حالت یوتکتوئید و و تجزیه آستنیت می گردد]۳[.

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 17700 تومان در 103 صفحه
177,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد